二元光學是基於光波衍射理論發展起來的一個新興光學分支，是光學與微電子技術相互滲透、交叉而形成的前沿學科。基於計算機輔助設計和微米級加工技術製成的平面浮雕型二元光學器件具有重量輕、易複製、造價低等特點，並能實現傳統光學難以完成的微小、陣列、集成及任意波面變換等新功能，從而使光學工程與技術在諸如空間技術、雷射加工、計算技術與信息處理、光纖通信及生物醫學等現代國防科技與工業的眾多領域中顯示出前所未有的重要作用及廣闊的套用前景。
基本介紹
- 中文名：二元光學
- 類型：一個新興光學分支
- 基於：光波衍射理論
- 屬性：前沿學科
光學發展,微光學發展,概述,比較,國內外研究概況,80年代中期,90年代後,發展方向,亞波長結構,光學軟體包,微型光機電集成系統,主要進展,設計理論方面的進展,製作工藝方面的進展,套用方面的進展,功能和特點,概述,高衍射效率,獨特的色散性能,更多的設計自由度,寬廣的材料可選性,特殊的光學功能,製造工藝,雷射直寫法,灰度掩模圖形轉印法,微光電子學,
光學發展
隨著近代光學和光電子技術的迅速發展，光電子儀器及其元件都發生了深刻而巨大的變化。光學零件已經不僅僅是折射透鏡、稜鏡和反射鏡。諸如微透鏡陣列、全息透鏡、衍射光學元件和梯度折射率透鏡等新型光學元件也越來越多地套用在各種光電子儀器中，使光電子儀器及其零部件更加小型化、陣列化和集成化。微 光學元件是製造小型光電子系統的關鍵元件，它具有體積小、質量輕、造價低等優點，並且能夠實現普通光學元件難以實現的微小、陣列、集成、成像和波面轉換等 新功能。
光學是一門古老的科學。自伽利略發明望遠鏡以來，光學已走過下幾百年的漫長道路。60年代雷射的出現，促進了光學技術的迅速發展，但基於折反射原理 的傳統光學元(器)件，如透鏡、稜鏡等人都是以機械的銑、磨、拋光等來製作的，不僅製造工藝複雜，而且元件尺寸大、重量大。在當前儀器走向光、機、電集成 的趨勢中，它們已顯得臃腫粗大極不匹配。研製小型、高效、陣列化光學元件已是光學界刻不容緩的任務。 80年代中期，美國MIT林肯實驗室威爾得坎普(Veldkamp)領導的研究組在設計新型感測系統中，率先提出了“二元光學”的概念，他當時描述道：“ 現在光學有一個分支，它幾乎完全不同於傳統的製作方式，這就是衍射光學，其光學元件的表面帶有浮雕結構；由於使用了本來是製作積體電路的生產方法，所用的 掩模是二元的，且掩模用二元編碼形式進行分層，故引出了二元光學的概念。”隨後二元光學不僅作為一門技術，而且作為一門學科迅速地受到學術界和工業界的青 睞，在國際上掀起了一股二元光學的研究熱潮。
二元光學於20世紀90年代初在國際上興起研究熱潮，並同時引起學術界與工業界的極大興趣及青睞。
微光學發展
概述
微光學發展的兩個主要分支是：
(1)基於折射原理的梯度折射率光學，
(2)基於衍射原理的二元光學。
比較
二 者在器件性能、工藝製作等方面各具特色。二元光學是微光學領域中最具活力、最有發展潛力的前沿學科分支。光學和電子學的發展都基於微細加工的兩個關鍵技 術：亞微米光刻和各向異性刻蝕技術。微電子學推動了二元光學學科的發展，而微電子工業的進步則得益於光刻水平的提高。此外，二元光學技術的發展又將促進微 電子技術的發展與提高。例如，大規模積體電路的製作中所採用的移相模版和在製作光纖光柵中所用的相位模版也都是建立在二元光學的基礎上的。二元光學 技術一經提出就吸引了—些技術已開發國家的注目，引起了各研究機構、大學及工業界的極大興趣，並被MIT林肯實驗室稱為振興和發展美國光學工業的主要希望， 可見其在整個光學領域的意義。
國內外研究概況
80年代中期
80年代中期，美國國防部領先科研項目處(DARPA)對MIT林肯實驗室資助了名為“二元光學”的項目，其研究目標為：
(1)發展一種基於微電子製作工藝的光學技術，用以節約資金和勞動力，獲取在設計和材料選擇上更多的自由度，並開發新的光學功能元件；
(2)推動光電系統整體的計算機輔助設計；
(3)在美國工業界廣泛套用衍射光學技術。
90年代後
進 入90年代，隨著微細加工技術的發展，以及為了得到高衍射效率的二元光學元件，其浮雕結構從兩個台階發展到多個台階，直至近似連續分布，但由於其主要的制 作方法仍基於表面分步成形技術，每次刻蝕可得到二倍的相位階數，故仍稱其為二元光學，而且往往就稱為衍射光學。在國內，許多單位都開展了二元光學的研究。 鑒於二元光學的潛在價值和國際上的研究狀況，國內一些有影響的光學專家90年代初就向國家自然科學基金委員會建議開展這方面的研究。縱觀國內外研究現狀， 二元光學的研究重擔集中在三個領域：超精細衍射結構的分析理論與設計；雷射束或電子束直寫技術及高解析度刻蝕技術；二元光學元件在國防、工業及消費領 域的套用。其中二元光學的CAD、掩模技術、刻蝕技術和LIGA(同步輻射光成形)技術是核心技術。
發展方向
今後二元光學元件的研究將可能在以下方面發展。
亞波長結構
具有亞波長結構的二元光學元件的研究(包括設計理論與製作技術) 這類元件的特徵尺寸比波長還要小，其反射率、透射率、偏振特性和光譜特性等都顯示出與常規二元光學元件截然不同的特徵，因而具有許多獨特的套用潛力，如可 以作為抗反射元件、偏振元件、窄帶濾波器和相位板。研究重點包括：建立正確和有效的理論模型設計超精細結構衍射元件；特殊波面變換的算法研究；發展波前工 程學，以製作逼近臨界尺寸的微小元件及開拓亞波長結構衍射元件的套用，推動微光學的發展。
光學軟體包
二元光學的CAD軟體包的開發至今尚未找到適合於不同浮雕衍射結構的簡單而有效的理論模型，二元光學元件的設計仍缺乏像普通光學設計程式那樣， 可以求出任意面形、傳遞函式及系統像差、具有友好界面的通用軟體包。但隨著通用設計工具的發展，二元光學元件有可能成為通用的標準光學元件，而得到廣泛的 套用，並與常規光學結合，形成一代嶄新的光學系統。
微型光機電集成系統
微型光機電集成系統是二元光學研究的總趨勢微光電機械系統微光機械微電子機械微機械 1991年，美國國家關鍵技術委員會向美國總統提交了《美國國家關鍵技術》報告，其中第8項為“微米級和納米級製造”，即微工程技術，它主要包括微電子 學、微機械學和微光學這三個相互關聯相互促進的學科，是發展新一代計算機、先進機器人及智慧型化系統，促進機械、電子及儀器儀表工業實現集成化、微型化的核 心技術。二元光學技術則是發展微光學的重要支柱，二元光學元件有可能直接刻蝕在積體電路晶片上，並在一塊晶片上布置微光學陣列，甚至完全集成化的光電處理 單元，這將導致包含各種全新的超密集感測系統的產生。
主要進展
經過近10年的研究，二元光學已經在設計理論、製作工藝和套用等方面取得了突破性的進展。
設計理論方面的進展
二元光學元件的設計問題十分類似於光學變換系統中的相位恢復問題：已知成像系統中入射場和輸出平面上光場分布，如何計算輸入平面上相位調製元件的相 位分布，使得它正確地調製入射波場，高精度地給出預期輸出圖樣，實現所需功能。近幾年來，隨著製作工藝水平的發展和衍射元件套用領域的擴展，二元光學元件 特徵尺寸進一步縮小，其設計理論已逐漸從標量衍射理論向矢量衍射理論發展。通常情況下，當二元光學元件的衍射特徵尺寸大於光波波長時，可以採用標量衍射理 論進行設計。計算全息就是利用光的標量衍射理論和傅立葉光學進行分析的，關於二元光學元件衍射效率與相位階數之間的數學表達式也是標量衍射理論的結果。在 此範圍內，可將二元光學元件的設計看作是一個逆衍射問題，即由給定的入射光場和所要求的出射光場求衍射屏的透過率函式。基於這一思想的最佳化設計方法大致有 五種：蓋師貝格－撒克斯通(Gerchberg-Saxton)算法(GS)或誤差減法(ER)及其修正算法、直接二元搜尋法(DBS也稱爬山法 (HC))、模擬退火算法(SA)和遺傳算法(GA)。其中模擬退火算法是一種適合解決大規模組合最佳化問題的方法，它具有描述簡單、使用靈活、套用廣泛、 運行效率高和較少受初始條件限制等優點；遺傳算法是一種借鑑生物界自然選擇和自然遺傳機制的高度並行、隨機、自適應搜尋算法，它將適者生存原理同基因交換 機制結合起來，形成一種具有獨特最佳化機制的搜尋技術，而且特別適用於並行運算，已被套用到諸多領域。在國內，中國科學院物理研究所楊國楨和顧本源提出任意 線性變換系統中振幅－相位恢復的一般理論和楊－顧(Y-G)算法，並且成功地套用於解決多種實際問題和變換系統中。在許多套用場合中，二元光學元件的特徵 尺寸為波長量級或亞波長量級，刻蝕深度也較大(達到幾個波長量級)，標量衍射理論中的假設和近似便不再成立，此時，光波的偏振性質和不同偏振光之間的相互 作用對光的衍射結果起著重大作用，必須發展嚴格的矢量衍射理論及其設計方法。矢量衍射理論基於電磁場理論，須在適當的邊界條件上嚴格地求解麥克斯韋方程 組，已經發展幾種有關的設計理論，如積分法、微分法、模態法和耦合波法。前兩種方法雖然可以得到精確的結果，但是很難理解和實現，並需要複雜的數值計算； 比較起來，模態法和耦合波法的數學過程相對簡單些，實現也較容易。這兩種方法都是在相位調製區將電磁場展開，所不同的是它們的展開形式，模態法將電磁場按 模式展開，而耦合波法則將電磁場按衍射級次展開。因而，耦合波方法涉及到的數學理論較為簡單，給出的是可觀察的衍射各級次的係數，而不是電磁場模式係數。 但總的來說，用這些理論方法設計二元光學元件都要進行複雜和費時的計算機運算，而且僅適合於周期性的衍射元件結構。因此，當衍射結構的橫向特徵尺寸大於光 波波長時，光波的偏振屬性變得不那么重要了，仍可採用傳統的標量衍射理論得到一些合理的結果。對於更複雜的衍射結構，還有待發展實用而有效的設計理論。
製作工藝方面的進展
二元光學元件的基本製作工藝是超大規模積體電路中的微電子加工技術。但是，微電子加工屬薄膜圖形加工，主要需控制的是二維的薄膜圖形；而二元光學元 件則是一種表面三維浮雕結構，需要同時控制平面圖形的精細尺寸和縱向深度，其加工難度更大。近幾年來，在VLSI加工技術、電子、離子刻蝕技術發展的推動 下，二元光學製作工藝方面取得的進展集中表現在：從二值化相位元件向多階相位元件、甚至連續分布相位元件發展；從掩模套刻技術向無掩模直寫技術發展。最早 的二元光學製作工藝是用圖形發生器和VLSI技術製作二階相位型衍射光學元件。到80年代後期，隨著高解析度掩模版製作技術的發展(如電子束製版解析度可 達到0.1μm)，掩模套刻、多次沉積薄膜的對中精度的提高，可以製作多階相位二元光學元件，大大提高了衍射效率。但是離散化的相位以及掩模的對準誤差， 仍影響二元光學元件的製作精度和衍射效率的提高。為此，90年代初開始研究直寫技術，省去掩模製作工序，直接利用雷射和電子束在基底材料上寫入所需的二維 或三維浮雕圖案。利用這種直寫技術，通過控制電子束在不同位置處的曝光量，或調製雷射束強度，可以刻蝕多階相位乃至連續分布的表面浮雕結構。無掩模直寫技 術較適於製作單件的二元或多階相位元件，或簡單的連續輪廓，而利用雷射掩模和套刻製作更適合於複雜輪廓和成批生產。在掩模圖案的刻蝕技術中，主要採用 高解析度的反應離子刻蝕、薄膜沉積技術。其中離子束刻蝕的解析度高達0.1μm，且圖案邊緣陡直準確，是一種較為理想的加工手段。二元光學元件的一個很大 的優點是便於複製，常用的複製技術有：鑄造法(casting)、模壓法(embossing)和注入模壓法(injection molding)。其中電鑄成型模壓複製將是未來大規模生產的主要技術。根據二元光學元件的特點，其他一些新工藝，例如LIGA、溶膠－凝膠 (sol－gel)、熱溶及離子擴散等技術也被套用於加工二元光學元件，還可利用灰階掩模及PMMA紫外感光膠製作連續相位器件。
套用方面的進展
隨著二元光學技術的發展，二元光學元件已廣泛用於光學感測、光通信、光計算、數據存儲、雷射醫學、娛樂消費以及其他特殊的系統中。也許可以說，它的 發展已經經歷了三代。第一代，人們採用二元光學技術來改進傳統的折射光學元件，以提高它們的常規性能，並實現普通光學元件無法實現的特殊功能。這類元件主 要用於相差校正和消色差。通常是在球面折射透鏡的一個面上刻蝕衍射圖案，實現折/衍複合消像差和較寬波段上的消色差。如美國柏金－愛爾馬 (Perkin－Elmer)公司成功地用於施密特(Schmidt)望遠鏡上消除球差；美國豪奈威爾(Honey-well)公司在遠紅外系統中，實現 了復消色差，它們還採用二元光學技術製作出小型光碟讀寫頭。此外，二元光學元件能產生任意波面以實現許多特殊功能，而具有重要的套用價值。如材料加工和表 面熱處理中的光束整形元件、醫療儀器中的He-Ne雷射聚焦校正器、光學並行處理系統中的光互連元件(等光強分束Dammann光柵)以及輻射聚焦器等。
二元光學元件的第一代套用技術已趨於成熟，國際上有50多家公司正利用混合型特殊功能元件設計新型光學系統。
第二代，主要套用於微光學元件和微光學陣列。 80年代末，二元光學進入微光學領域，向微型化、陣列化發展，元件大小從十幾個μm至1mm。用二元光學方法製作的高密度微透鏡陣列的衍射效率很高，且可 實現衍射受限成像。另外，當刻蝕深度超過幾個波長時，微透鏡陣列表現出普通的折射元件特性，並具有獨特的優點：陣列結構比較靈活，可以是矩陣、圓形或密排 六方形排列；能產生各種輪廓形狀的透鏡表面，如拋物面、橢圓面及合成表面等；陣列透鏡的“死區”可降到零(即填充因子達到100%)。這類高質量的衍射或 折射微透鏡陣列，在光通信、光學信息處理、光存儲和雷射束掃描等許多領域中有重要的套用。比如二元微光學元件在多通道微型感測系統中可作為望遠混合光學系 統、光束靈巧控制、多通道處理、探測器陣列和自適應光互連。第三代，即目前正在發展的一代，二元光學瞄準了多層或三維集成微光學，在成像和複雜的光互連中 進行光束變換和控制。多層微光學能夠將光的變換、探測和處理集成在一體，構成一種多功能的集成化光電處理器，這一進展將使一種能按不同光強進行適應性調 整、探測出目標的運動並自動確定目標在背景中的位置的圖像感測器成為可能。Veldkamp將這種新的二元光學技術與量子阱雷射陣列或SEED器件、 CMOS模擬電子技術結合在一起，提出了“無長突神經細胞電子裝置(Amacronic)”的構想，它把焦平面結構和局域處理單元耦合在一起，以模仿視網 膜上無長突神經細胞的近距離探測，系統具有邊緣增強、動態範圍壓縮和神經網路等功能。這一代微光學技術的典型套用是多層光電網路處理器。這是一種焦平面預 處理技術，它以二元光學元件提供靈活反饋和非線性預處理能力。探測器矽基片上的微透鏡陣列將入射信號光聚焦到陣列探測器的激活區，該基片的積體電路則利用 會聚光激發砷化鎵銦二極體發光，其發射光波第二層平面石英基底兩面的衍射元件引導到第三層面矽基底的陣列探測器上，經積體電路處理後激發二極體發光……依 次類推，得到處理後的信號。這種多層焦平面預處理器的每一層之間則利用微光學陣列實現互連耦合，它為感測器的微型化、集成化和智慧型化開闢了新的途徑。 發展趨勢 二元光學是建立在衍射理論、計算機輔助設計和微細加工技術基礎上的光學領域的前沿科學之一，超精細結構衍射元件的設計與加工是發展二元光學的關鍵技術。二 元光學的發展不僅使光學系統的設計和加工工藝發生深刻的變革，而且其總體發展趨勢是未來微光學、微電子學和微機械的集成技術和高性能的集成系統。
功能和特點
二元光學元(器)件因其在實現光波變換上所具有的許多卓越的、傳統光學難以具備的功能，而有利於促進 光學系統實現微型化、陣列化和集成化，開闢了光學領域的新視野。關於二元光學概念的準確定義，至今光學界還沒有統一的看法，但普遍認為，二元光學是指基於 光波的衍射理論，利用計算機輔助設計，並用超大規模集成(VLSI)電路製作工藝，在片基上(或傳統光學器件表面)刻蝕產生兩個或多個台階深度的浮雕結 構，形成純相位、同軸再現、具有極高衍射效率的一類衍射光學元件。它是光學與微電子學相互滲透與交*的前沿學科。二元光學不僅在變革常規光學元件，變革傳 統光學技術上具有創新意義，而且能夠實現傳統光學許多難以達到的目的和功能，因而被譽為“90年代的光學”。它的出現將給傳統光學設計理論及加工工藝帶來 一次革命。二元光學元件源於全息光學元件(HOE)特別是計算全息元件(CGH)。可以認為相息圖(Kinoform)就是早期的二元光學元件。但是全息 元件效率低，且離軸再現；相息圖雖同軸再現。但工藝長期未能解決，因此進展緩慢、實用受限。二元光學技術則同時解決了衍射元件的效率和加工問題。它以多階 相位結構近似相息圖的連續浮雕結構。二元光學是微光學中的一個重要分支。微光學是研究微米、納米級尺寸的光學元器件的設計、製作工藝及利用這類元器件實現 光波的發射、傳輸、變換及接收的理論和技術的新學科。
概述
二元光學能獲得如此迅速的發展，除由於具有體積小、重量輕、容易複製等顯而易見的優點外，還由於具有如下許多獨特的功能和特點。
高衍射效率
高衍射效率：二元光學元件是一種純相位衍射光學元件，為得到高衍射效率，可做成多相位階數的浮雕結構。一般使用N塊模版可得到L(=2N) 個相位階數，其衍射效率為：η=|sin(π/L)/( π/L)|2。由此計算，當L=2、4、8和16時，分別有V=40.5%、81%、94.9%和98.6%。利用亞波長微結構及連續相位面形，可達到接 近100%的效率。
獨特的色散性能
在—般情況下，二元光學元件多在單色光下使用。但正因它是一個色散元件，具有不同於常規元件的色散特性，故 可在折射光學系統中同時校正球差與色差，構成混合光學系統，以常規折射元件的曲面提供大部分的聚焦功能，再利用表面上的浮雕相位波帶結構校正像差。這一方 法已用於新的非球面設計和溫度補償等技術中。
更多的設計自由度
在傳統的折射光學系統或鏡頭設計中只能通過改變曲面的曲率或使用不同的光學材料 校正像差，而在二元光學元件中，則可通過波帶片的位置、槽寬與槽深及槽形結構的改變產生任意波面，大大增加了設計變數，從而能設計出許多傳統光學所不能的 全新功能光學元件，這是對光學設計的一次新的變革。
寬廣的材料可選性
二元光學元件是將二元浮雕面形轉移至玻璃、電介質或金屬基底上，可用材料 範圍大；此外，在光電系統材料的選取中，—些紅外材料如ZnSe和Si等，由於它們有一些不理想的光學特性，故經常被限制使用，而二元光學技術則可利用它 們並在相當寬廣的波段作到消色差；另外，在遠紫外套用中，可使有用的光學成像波段展寬1000倍。
特殊的光學功能
二元光學元件可產生一般傳統 光學元件所不能實現的光學波面，如非球面、環狀面、錐面和鐲面等，並可集成得到多功能元件；使用亞波長結構還可得到寬頻、大視場、消反射和偏振等特性；此 外，二元光學在促進小型化、陣列化、集成化方面更是不言而喻了。
製造工藝
台階形輪廓的二元光學器件的製備分為加法和減法兩種工藝途徑，是利用標準的大規模積體電路生產的工藝製備的。二元光學元件的製備工藝主要有以下兩種：
雷射直寫法
雷射直寫技術的原理是：首先按照元件的表面設計結構和抗蝕材料的顯影特性來計算並確定表面各點所需的曝光量的分布，並將數據存入計算機中，然後再對基片上的抗蝕劑進行掃描式的挨個曝光。顯影后在其表面形成連續變化的浮雕結構，適當的選擇試驗參數就可得到與理想結構十分接近的浮雕結構，還可以將抗蝕劑表面的結構轉移到襯底上再對其進一步刻蝕。
灰度掩模圖形轉印法
由於二元光學元件結構特點與積體電路（IC）不相同，無論用製備IC的哪一種工藝來製作光學元件都存在一定的不足，為此人們試圖拋開IC工藝，尋找一種適合於光學元件的加工方法。這方面工作進行的很活躍，其中研究最多也是最有前景的方法是變灰度掩模板法。
灰度掩模板的製備是利用圖片藝術中的做幻燈片技術的原理，將設計中的灰度連續變化或台階式變化的掩模圖形製成數據檔案，然後再做成幻燈片，然後再經過10倍的精縮，並轉印到黑白膠片中就形成了變灰度掩模板，變灰度掩模板圖形再利用圖形轉移的技術，在基片的抗蝕材料形成多台階或連續變化的浮雕結構。該方法價格不高、一次成形而且無套刻對準誤差的困擾，是一種很有發展前景的二元光學元件的製備方法。
微光電子學
微光學微電子學圖示描述了微工程技術的三個學科相互交*相互影響形成的交*學科。在微光學取得令人注目的進展的同時，另一門前沿科學—— 微電子機械(MEM)學取得了飛速的發展，這種結合三維積體電路處理技術的微機械方法已成功地用於改善感測器和執行器的性能，降低費用。基於這種新技術設 計的微感測器和微機械執行器，至少在一個維數上的尺寸已達到微米量級，其他維數也小於幾個毫米，對軍用、工業和消費產品都有潛在的套用市場。 MEM和微光學技術的共同特徵是它們都基於VLSI技術，兩者的結合就能產生一個新的、更寬廣的微光電機械系統，它已經在雷射掃描、光學開關、動態微透鏡 和集成光電－機電裝置等方面顯示出誘人的前景和產品市場，並將進一步開拓到微分光儀、微干涉儀和小型線上機械檢測系統等領域。在微機械、微電子支撐下的微 光學系統也更易商品化，從而形成二元光學產業。具有多層結構的Amacronic焦平面預處理器是微光學、微電子學和微機械集成系統的典型套用，它以並行 光學處理方式降低了對電子處理速度和頻寬的要求，增強了集成系統的處理能力和靈活性。多層微光電機械裝置的進一步發展甚至可以模仿生物視覺原理，這個方向 的研究成果對於人類將有無法估量的意義。可以預見，光學工程師們能像今天的電子工程師們一樣，坐在計算機終端前，通過按動滑鼠或敲擊鍵盤來設計組合二元光 學元件以及各種光機電組合系統，這一天的到來為時不會太久。
